Наконец физические испытания института тоже подтвердили, что партия графита, полученная с завода, имеет сечение захвата, не выходящее за пределы контрольной цифры, данной Игорем Васильевичем. Курчатов вздохнул облегченно. Но темпов, предупредил он, не ослаблять, наоборот, повышать их — ведь графита только для первого реактора нужно сотни тонн. Да и физические испытания в институте надо вести более широким фронтом, чтобы ни один графитовый кирпич не миновал их.
Измерения проводились в двух «госпитальных» палатках, развернутых прямо напротив здания института. Часто сюда приходил Игорь Васильевич, сам садился за установку, выполнял измерения час, другой, третий...
Уран
Если по теоретическим расчетам графита требовалось сотни тонн, то урана несколько меньше — до 50 тонн. Но проблема обеспечения реактора ураном была ничуть не более легкой.
Тут цепь предприятий, от которых зависело получение продукта высокой чистоты, была еще длиннее. Она начиналась с рудника, где добывалась урановая руда, проходила через обогатительные фабрики и заводы металлического урана. Процесс производства урана осложнялся тем, что требовалась аппаратура, изготовленная из специальных материалов. При этом должна была соблюдаться очень точная дозировка реагентов и строжайше поддерживаться необходимая температура. Получение металлического урана невозможно без большого количества исключительно чистых реактивов.
Еще одна сложность. После переработки сотен тони урановых концентратов, поступающих с обогатительных фабрик, надо получить исключительно чистый уран, содержание отдельных примесей в котором не должно превышать миллионных долей. Особенно нетерпимы и здесь бор, кадмий, индий, редкие земли.
Как только был получен уран в виде порошка, окиси и металлических слитков, начались интенсивные измерения его физических характеристик. Источники нейтронов помещали для этого в графитовую призму и водяной бак. Применялись как бы две нейтроновые пушки. Они и «стреляли» по образцам урана и графита.
Теоретически было ясно, что осуществить цепную ядерную реакцию вполне возможно. Но практически нейтроны могут захватываться ядрами без деления или просто вылететь за пределы реактора. Надо было получить как можно больше сведений о механизме возникновения вторичных нейтронов, о сечениях реакции их взаимодействия с ураном и замедлителем, причем данные нужны были в широком диапазоне энергий, начиная от той, которую нейтроны имеют в момент деления ядер, и кончая энергией обычного теплового движения частиц.
Еще никогда в распоряжении Игоря Васильевича, так близко в идеях подходившего к получению атомной энергии, не было металлического урана — прямого источника этой энергии. Когда была получена первая партия, он вызвал сотрудников, ответственных за этот участок работы, и показал на запакованное богатство:
— Знакомьтесь: уран.
Знакомиться с ураном действительно нужно было основательно. Ведь малейшее незнание грозило опасностью. Это подтвердил такой случай.
Один из лаборантов, В. К. Лосев, измерял в палатке вторичные нейтроны, как вдруг увидел оранжевое пламя. Огонь моментально перекинулся на палатку, она загорелась. Все присутствовавшие уже боролись с пламенем. Одним из первых прибежал к палатке Курчатов.
— Водой не заливать, — властно командовал он, — засыпать песком...
Палатку спасти не удалось — сгорела дотла. Все остальное — а оно-то и представляло ценность — удалось отстоять. Комиссия из виднейших специалистов стала разбираться: кто же виноват? Оказалось: незнание. Это теперь в каждом учебнике можно прочесть: «Порошкообразный металлический уран легко возгорается и при распылении в воздухе горит ярким пламенем». А тогда ведь никто этого предвидеть не мог.
Заводы стали присылать уран регулярнее, хотя еще и небольшими партиями. И его тоже немедленно проверяли, насколько он чист. Теперь эти измерения, как и физическое испытание графита, производились в огромном помещении, названном СК — склад котла (реактора).
Одновременно по заданию Игоря Васильевича начались проектирование и подготовка к постройке здания для первого реактора.
— Для циклотронов дома строил, для реакторов — никогда, — смущенно говорил архитектор А.Ф. Жигулев, после того как Курчатов поручил ему спроектировать это необычное здание.
Скоро на территории института стало расти серое кирпичное здание. А под землей возникали таинственные ходы сообщений.
Уран проверяли в условиях, все более близких к его реальному назначению в реакторе. С самого начала ученые во главе с Игорем Васильевичем четко определили, что уран и графит не надо перемешивать. Было предложено применить решетку, состоящую из замедлителя с периодически вкрапленными в него кусками (блоками) урана.
Почему было принято такое решение? Дело в том, что в однородной смеси больше вероятности резонансного захвата нейтронов ураном-238 без деления. В случае же решетки нейтроны, проходя большой путь в графите, замедляются ниже резонансной области энергии и вероятность захвата без деления их в уране-238 существенно уменьшается. Ученые установили это еще до постройки самого реактора.
Чтобы проверить получаемый уран в условиях, наиболее близких к реальным, делали в графитовых кирпичах отверстия для блоков урана и из этих кирпичей с блоками складывали призмы. Под руководством И. В. Курчатова группа
И. С. Панасюка меняла сотни вариантов решеток, собирала призмы с поглотителем нейтронов. И каждый раз измерялись нейтронные потоки, делались расчеты. И после многодневной утомительнейшей работы Панасюк убедился, что чистота урана... недостаточна! Надо же было случиться такому! Казалось, уже все отлажено. Ученые забили тревогу.
Виднейшие химики во главе с академиком А. П. Виноградовым определили характер вредных примесей — редкие земли. Работники урановых предприятий сделали все от них зависящее, чтобы дать более чистый продукт. И дали!
Четыре сферы
Истекали последние подготовительные месяцы. По инициативе Игоря Васильевича было решено сложить весь полученный для реактора графит и померить его сечение захвата нейтронов, так сказать, в полностью собранном виде. А вдруг оно превысит контрольную цифру, горевшую, как огонек, в памяти у всех? Не «подставит ли графит ножку» на последней финишной прямой?
Сложили графит в огромный куб — по виду готовый реактор, только без урана внутри. Каким оно будет, суммарное эффективное сечение захвата нейтронов графита? Игорь Васильевич был тут же — хотел сам подвести итог многочисленным измерениям по партиям (всего было проведено 100 измерений порциями по 5 тонн каждая). Мерили на этот раз несколько дней и ночей. Настала минута подсчета. Игорь Васильевич орудует логарифмической линейкой. И все видят, как он поднимает руку и говорит:
— Есть!
Понятно без слов. Сечение в норме. Выражаясь точнее, оно составляет 3,7*10^-27 см^2, то есть очень близко к тому ориентиру, которого держался коллектив. Весь графит, полученный с предприятий страны, был годен для реактора.
Годен! Это слово звучало как музыка для Игоря Васильевича. Половина дела сделана. Скоро обещали доставить последние порции урана. Здание для котла готово, можно будет начинать кладку. Дела пока шли, как он любил выражаться, на большой палец!
...Предполагалось, что построенный реактор будет существовать недолго — его разберут и отправят на объект для промышленного производства плутония. Чтобы не делать особых затрат на защиту, решено было углубить его в землю. Для этого под зданием реактора был подготовлен бетонированный котлован шириной, длиной и высотой в 10 метров. Там и развернулась непосредственная подготовка к постройке реактора. Курчатов предложил строить последовательно модели реактора. Были возведены Сфера-1, Сфера-2, Сфера-3, Сфера-4. Когда была готова первая, внутри нее измеряли плотность нейтронов, возникающих в результате самопроизвольного деления ядер урана. На специально приготовленном графике Игорь Васильевич нанес первую точку будущей кривой предсказания, при какой загрузке ураном и графитом реакция «пойдет».